JP2017107620A - Semiconductor device and nonvolatile memory - Google Patents

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昭 田邊
Akira Tanabe
昭 田邊
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of coping with arbitrary variations.SOLUTION: A semiconductor device 10 comprises: a plurality of memory cells 11 including a memory cell outputting first data corresponding to a first storage state and a memory cell outputting second data corresponding to a second storage state; a first mean value determination circuit 12 for determining a mean value of a plurality of pieces of the first data; a second mean value determination circuit 13 for determining a mean value of a plurality of pieces of the second data; a threshold value determination circuit 14 for determining a threshold value which identifies the first and second storage states on the basis of the respective determination results of the first mean value determination circuit 12 and the second mean value determination circuit 13; and an identification circuit 15 for identifying a storage state of the plurality of memory cells on the basis of the determination result of the threshold value determination circuit 14 and the readout result of the plurality of memory cells.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置及び不揮発メモリに関し、例えば、メモリセルを有する半導体装置及び不揮発メモリに関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a nonvolatile memory, for example, a semiconductor device having a memory cell and a nonvolatile memory.

近年、電気的に書き換え可能な不揮発メモリ(不揮発性記憶装置)が広く利用されている。不揮発メモリの一つであるフラッシュメモリは、パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話など多くの電子機器に内蔵される記憶装置または外付けの記憶装置として利用されている。また、他の不揮発メモリであるReRAM(resistance random access memory:抵抗変化型メモリ)は、電圧印加による抵抗の変化を利用しており、消費電力が小さく、高集積化が可能であり、かつ、読み出し速度が高速であるため、フラッシュメモリの代替として注目されている。   In recent years, electrically rewritable nonvolatile memories (nonvolatile memory devices) have been widely used. A flash memory, which is one type of nonvolatile memory, is used as a storage device built in many electronic devices such as personal computers, digital cameras, and mobile phones, or as an external storage device. In addition, ReRAM (resistance random access memory), which is another nonvolatile memory, uses a change in resistance due to voltage application, consumes little power, can be highly integrated, and can be read. Due to its high speed, it is attracting attention as an alternative to flash memory.

不揮発メモリに関連する技術として、例えば、特許文献1や2が知られている。   For example, Patent Documents 1 and 2 are known as techniques related to the nonvolatile memory.

特開平11−297084号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-297084 特開2009−009688号公報JP 2009-009688 A

不揮発メモリでは、読み出すメモリセルのON/OFF状態(例えば記憶データの1/0に対応する状態)を判定するためにしきい値が設定されている。特許文献1では、このしきい値の温度依存性に着目し、半導体チップ上の温度計で半導体チップの温度を測定し、メモリセルの温度特性に合わせてしきい値を適宜変化させている。   In the nonvolatile memory, a threshold value is set to determine the ON / OFF state (for example, the state corresponding to 1/0 of the stored data) of the memory cell to be read. In Patent Document 1, paying attention to the temperature dependence of the threshold value, the temperature of the semiconductor chip is measured with a thermometer on the semiconductor chip, and the threshold value is appropriately changed according to the temperature characteristics of the memory cell.

しかしながら、特許文献1のような関連する技術では、半導体チップの温度変化によるばらつきには対応できるものの、プロセスばらつきや電圧ばらつきなどの他のばらつきには対応できないという問題があった。   However, the related technique such as Patent Document 1 has a problem that it can cope with variations due to temperature changes of the semiconductor chip but cannot cope with other variations such as process variations and voltage variations.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

一実施の形態によれば、半導体装置は、複数のメモリセル、第1中間値決定回路、第2中間値決定回路、しきい値決定回路、及び識別回路を備える。複数のメモリセルは、第1記憶状態に応じた第1データを出力するメモリセルと第2記憶状態に応じた第2データを出力するメモリセルを含む。第1中間値決定回路は、複数の第1データの中間値を決定し、第2中間値決定回路は、複数の第2データの中間値を決定する。しきい値決定回路は、第1及び第2中間値決定回路のそれぞれの決定結果に基づき、第1及び第2記憶状態を識別するしきい値を決定する。識別回路は、しきい値決定回路の決定結果と複数のメモリセルからの読み出し結果に基づき、複数のメモリセルの記憶状態を識別する。   According to one embodiment, a semiconductor device includes a plurality of memory cells, a first intermediate value determination circuit, a second intermediate value determination circuit, a threshold value determination circuit, and an identification circuit. The plurality of memory cells include a memory cell that outputs first data corresponding to the first storage state and a memory cell that outputs second data corresponding to the second storage state. The first intermediate value determination circuit determines intermediate values of the plurality of first data, and the second intermediate value determination circuit determines intermediate values of the plurality of second data. The threshold value determination circuit determines a threshold value for identifying the first and second storage states based on the determination results of the first and second intermediate value determination circuits. The identification circuit identifies the storage states of the plurality of memory cells based on the determination result of the threshold value determination circuit and the read result from the plurality of memory cells.

前記一実施の形態によれば、任意のばらつきに対応することができる。   According to the one embodiment, it is possible to cope with an arbitrary variation.

実施の形態1に係る半導体装置の概要構成を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a first embodiment. 実施の形態1に係る半導体装置の特性分布を示す分布図である。FIG. 6 is a distribution diagram illustrating a characteristic distribution of the semiconductor device according to the first embodiment. 実施の形態1に係る不揮発メモリの構成例を示す構成図である。1 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a nonvolatile memory according to a first embodiment. 実施の形態1に係るメモリセルの構成例を示す構成図である。3 is a configuration diagram showing a configuration example of a memory cell according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1に係るメモリセルアレイの構成例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of a memory cell array according to the first embodiment. 実施の形態1に係るメモリセル及びセンスアンプの構成例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a memory cell and a sense amplifier according to the first embodiment. 実施の形態1に係る不揮発メモリの特性分布を示す分布図である。4 is a distribution diagram showing a characteristic distribution of the nonvolatile memory according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係る不揮発メモリの動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart showing an operation of the nonvolatile memory according to the first embodiment. 実施の形態1の変形例1に係る不揮発メモリの特性分布を示す分布図である。6 is a distribution diagram showing a characteristic distribution of a nonvolatile memory according to Modification 1 of Embodiment 1. FIG. 実施の形態1の変形例2に係る不揮発メモリで使用する符号を示す表である。10 is a table showing symbols used in the nonvolatile memory according to Modification 2 of Embodiment 1. 実施の形態1の変形例2に係る不揮発メモリで使用する符号を示す表である。10 is a table showing symbols used in the nonvolatile memory according to Modification 2 of Embodiment 1. 実施の形態1の変形例3に係る中央値検出回路の構成例を示す構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a median value detection circuit according to a third modification of the first embodiment. 実施の形態1の変形例3に係る中央値検出回路の構成例を示す構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a median value detection circuit according to a third modification of the first embodiment. 実施の形態1の変形例3に係る中央値検出回路の構成例を示す構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a median value detection circuit according to a third modification of the first embodiment. 実施の形態2に係る不揮発メモリの動作の流れを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an operation flow of the nonvolatile memory according to the second embodiment. 実施の形態2に係る不揮発メモリの動作の流れを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an operation flow of the nonvolatile memory according to the second embodiment. 実施の形態3に係る不揮発メモリの構成例を示す構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a nonvolatile memory according to a third embodiment.

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、CPU、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。   For clarity of explanation, the following description and drawings are omitted and simplified as appropriate. Each element described in the drawings as a functional block for performing various processes can be configured by a CPU, a memory, and other circuits in terms of hardware, and a program loaded in the memory in terms of software. Etc. Therefore, it is understood by those skilled in the art that these functional blocks can be realized in various forms by hardware only, software only, or a combination thereof, and is not limited to any one. Note that, in each drawing, the same element is denoted by the same reference numeral, and redundant description is omitted as necessary.

(実施の形態1)
以下、図面を参照して実施の形態1について説明する。
(Embodiment 1)
The first embodiment will be described below with reference to the drawings.

<実施の形態1の概要>
図1は、本実施の形態に係る半導体装置の概要構成を示している。図1に示すように、本実施の形態に係る半導体装置10は、複数のメモリセル11、第1中間値決定回路12、第2中間値決定回路13、しきい値決定回路14、識別回路15を備えている。
<Outline of Embodiment 1>
FIG. 1 shows a schematic configuration of a semiconductor device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 10 according to the present embodiment includes a plurality of memory cells 11, a first intermediate value determination circuit 12, a second intermediate value determination circuit 13, a threshold value determination circuit 14, and an identification circuit 15. It has.

複数のメモリセル11は、第1記憶状態に応じた第1データを出力するメモリセルと第2記憶状態に応じた第2データを出力するメモリセルを含む。第1中間値決定回路12は、複数の第1データの中間値を決定し、第2中間値決定回路13は、複数の第2データの中間値を決定する。   The plurality of memory cells 11 include a memory cell that outputs first data corresponding to the first storage state and a memory cell that outputs second data corresponding to the second storage state. The first intermediate value determination circuit 12 determines intermediate values of the plurality of first data, and the second intermediate value determination circuit 13 determines intermediate values of the plurality of second data.

しきい値決定回路14は、第1中間値決定回路12及び第2中間値決定回路13のそれぞれの決定結果に基づき、第1及び第2記憶状態を識別するしきい値を決定する。識別回路15は、しきい値決定回路14の決定結果と複数のメモリセル11からの読み出し結果に基づき、複数のメモリセル11の記憶状態を識別する。   The threshold value determination circuit 14 determines threshold values for identifying the first and second storage states based on the determination results of the first intermediate value determination circuit 12 and the second intermediate value determination circuit 13. The identification circuit 15 identifies the storage state of the plurality of memory cells 11 based on the determination result of the threshold value determination circuit 14 and the read result from the plurality of memory cells 11.

図2は、メモリセル11の第1状態(第1データ)及び第2状態(第2データ)の分布の温度変化によるばらつきの例を示している。図2(a)は室温での分布を示し、図2(b)は高温での分布を示しており、室温から高温に温度が変化すると、第1状態及び第2状態の分布がシフトする。このばらつきによるオフセットが予測できれば、マージンを小さくすることができる。そこで、本実施の形態では、第1データの中間値(例えば中心値や平均値)と第2データの中間値に基づきしきい値を決定する。つまり、分布のシフトに応じてしきい値をシフトさせる。これにより、温度変化に限らずその他のばらつきに対応してしきい値を設定することができ、小さなマージンで動作することが可能となる。   FIG. 2 shows an example of variation due to temperature change in the distribution of the first state (first data) and the second state (second data) of the memory cell 11. FIG. 2A shows the distribution at room temperature, and FIG. 2B shows the distribution at high temperature. When the temperature changes from room temperature to high temperature, the distribution of the first state and the second state shifts. If an offset due to this variation can be predicted, the margin can be reduced. Therefore, in the present embodiment, the threshold value is determined based on the intermediate value (for example, the center value or the average value) of the first data and the intermediate value of the second data. That is, the threshold value is shifted according to the shift of the distribution. As a result, the threshold value can be set not only for the temperature change but also for other variations, and can operate with a small margin.

<実施の形態1の不揮発メモリの構成>
図3は、本実施の形態に係る不揮発メモリの構成例を示している。図3に示すように、本実施の形態に係る不揮発メモリ(半導体装置)1は、メモリセルアレイ100と読み出し回路200を備えている。
<Configuration of Nonvolatile Memory of First Embodiment>
FIG. 3 shows a configuration example of the nonvolatile memory according to this embodiment. As shown in FIG. 3, the nonvolatile memory (semiconductor device) 1 according to the present embodiment includes a memory cell array 100 and a read circuit 200.

メモリセルアレイ100は、不揮発メモリのメモリセルアレイであり、記憶するビットごとにメモリセル101、センスアンプ102、アナログ比較器103を備えている。メモリセルアレイ100は、記憶するビットに応じた多数の不揮発のメモリセル101を有し、このうちのn個(n>2)のメモリセル101から同時にデータ読み出す。メモリセル101ごとに複数の基準電圧(VREF)と比較するアナログ比較器103を備えることで複数のメモリセルから同時にデータを読み出すことができる。ここで、不揮発メモリ(メモリセルアレイ)に書き込まれるデータは元のkビット(k<n)のデータをエラー訂正符号(ECC)に変換してnビットとしたものとする。本実施の形態では、nビットの読み出しデータの中には必ずON状態(0または1の一方)のビットとOFF状態(0または1の他方)のビットが少なくとも1つは含まれるものとする。   The memory cell array 100 is a memory cell array of a nonvolatile memory, and includes a memory cell 101, a sense amplifier 102, and an analog comparator 103 for each bit to be stored. The memory cell array 100 includes a large number of nonvolatile memory cells 101 corresponding to the bits to be stored, and data is simultaneously read from n (n> 2) of the memory cells 101. By providing the analog comparator 103 that compares a plurality of reference voltages (VREF) for each memory cell 101, data can be simultaneously read from the plurality of memory cells. Here, the data written in the nonvolatile memory (memory cell array) is assumed to be n bits by converting the original k bits (k <n) data into an error correction code (ECC). In this embodiment, it is assumed that n-bit read data always includes at least one bit in the ON state (one of 0 or 1) and one bit in the OFF state (the other of 0 or 1).

例えば不揮発メモリが抵抗変化メモリ(ReRAM)の場合、メモリセル101からはON状態またはOFF状態に応じた抵抗値が読み出される。各メモリセル101は、それぞれが別々のセンスアンプ102に接続される。センスアンプ102は、メモリセル101の抵抗値を読み出して、対応する電圧を出力する。ここでは入力の電流に反比例した電圧を出力するセンスアンプ102の例で説明する。つまりメモリセル101の抵抗値が高いほど流れる電流値が小さくなるので、センスアンプ102の出力電圧は高くなる。ここで、例えば電流を出力するセンスアンプ102や入力の電流に正比例した電圧を出力するセンスアンプ102を使用することも出来る。次にセンスアンプ102の出力をm個(m>2)のアナログ比較器103を用いてm個の基準電圧VREF1〜VREFmと比較することで、mビットの多値の比較結果として読み出される。n個のメモリセル101からの多値のデータ出力は合計n×mビットとなる。この値は読み出し回路200のバッファへ送られる。   For example, when the nonvolatile memory is a resistance change memory (ReRAM), the resistance value corresponding to the ON state or the OFF state is read from the memory cell 101. Each memory cell 101 is connected to a separate sense amplifier 102. The sense amplifier 102 reads the resistance value of the memory cell 101 and outputs a corresponding voltage. Here, an example of the sense amplifier 102 that outputs a voltage inversely proportional to the input current will be described. That is, the higher the resistance value of the memory cell 101, the smaller the value of the flowing current, and the higher the output voltage of the sense amplifier 102. Here, for example, a sense amplifier 102 that outputs a current or a sense amplifier 102 that outputs a voltage directly proportional to an input current can be used. Next, the output of the sense amplifier 102 is compared with m reference voltages VREF <b> 1 to VREFm by using m (m> 2) analog comparators 103, and is read out as an m-bit multi-value comparison result. Multi-valued data output from n memory cells 101 is a total of n × m bits. This value is sent to the buffer of the read circuit 200.

図3に示すように、読み出し回路200は、バッファ201、中央値検出回路202、しきい値決定回路203、しきい値記憶回路204、データ選択回路205、デコーダ206を備えている。バッファ201は、各ビットのメモリセル101から読み出した抵抗値(比較結果)をバッファリングし、中央値検出回路202及びデータ選択回路205へ出力する。中央値検出回路202は、バッファ201を介して取得した複数のメモリセル101の抵抗値に基づいて、抵抗値の分布の中央値を検出する。   As shown in FIG. 3, the read circuit 200 includes a buffer 201, a median value detection circuit 202, a threshold value determination circuit 203, a threshold value storage circuit 204, a data selection circuit 205, and a decoder 206. The buffer 201 buffers the resistance value (comparison result) read from the memory cell 101 of each bit and outputs it to the median value detection circuit 202 and the data selection circuit 205. The median value detection circuit 202 detects the median value of the distribution of resistance values based on the resistance values of the plurality of memory cells 101 acquired via the buffer 201.

しきい値決定回路203は、検出した抵抗値の分布の中央値に基づいてしきい値を決定する。しきい値記憶回路204は、決定したしきい値を記憶する。データ選択回路205は、決定し記憶されたしきい値を用いて、バッファ201を介して取得したメモリセル101の抵抗値を判定し、ON/OFF状態(記憶状態)を選択する。デコーダ206は、選択されたON/OFF状態に基づいてデータを復号化する。   The threshold value determination circuit 203 determines a threshold value based on the median value of the detected resistance value distribution. The threshold value storage circuit 204 stores the determined threshold value. The data selection circuit 205 determines the resistance value of the memory cell 101 acquired through the buffer 201 using the threshold value determined and stored, and selects the ON / OFF state (memory state). The decoder 206 decodes the data based on the selected ON / OFF state.

<実施の形態1のメモリセルの構成及び動作>
図4〜図6を用いて、メモリセルアレイを構成する不揮発メモリの一例として、抵抗変化型メモリReRAMの構成及び動作について説明する。なお、ここではReRAMについて説明するが、フラッシュメモリやMRAM(磁気抵抗RAM)、FeRAM(強誘電体メモリ)など、その他不揮発メモリであってもよい。
<Configuration and Operation of Memory Cell of First Embodiment>
The configuration and operation of a resistance change type memory ReRAM will be described with reference to FIGS. 4 to 6 as an example of a nonvolatile memory constituting a memory cell array. Although ReRAM will be described here, other non-volatile memories such as flash memory, MRAM (magnetic resistance RAM), FeRAM (ferroelectric memory) may be used.

図4は、ReRAMのメモリセルの構成及び動作示している。ReRAMのメモリセルは、抵抗変化素子の両端に正負の電圧を印加することで、低抵抗(ON)または高抵抗(OFF)の2つの状態に変化し、この状態を保持することでメモリ素子として働く。   FIG. 4 shows the configuration and operation of a ReRAM memory cell. The memory cell of the ReRAM changes to two states of low resistance (ON) or high resistance (OFF) by applying positive and negative voltages to both ends of the variable resistance element, and as this memory element is maintained by maintaining this state. work.

図4に示すように、メモリセル101は、抵抗変化素子RcとセルトランジスタTrを備えている。抵抗変化素子Rcは2端子素子であり、一端がPL(プレート線)用端子に接続され、他端がセルトランジスタTrを介してBL(ビット線)用端子に接続される。図4では、セルトランジスタTrのゲート電圧(ワード線WL電圧)はHであり、セルトランジスタTrのON抵抗は抵抗変化素子Rcの抵抗値より十分小さいものとする。抵抗変化素子RcはPL用端子とBL用端子に印加する電圧の極性によって抵抗値が変化する。   As shown in FIG. 4, the memory cell 101 includes a resistance change element Rc and a cell transistor Tr. The resistance change element Rc is a two-terminal element, and one end is connected to a PL (plate line) terminal and the other end is connected to a BL (bit line) terminal via a cell transistor Tr. In FIG. 4, the gate voltage (word line WL voltage) of the cell transistor Tr is H, and the ON resistance of the cell transistor Tr is sufficiently smaller than the resistance value of the resistance change element Rc. The resistance value of the resistance change element Rc changes depending on the polarity of the voltage applied to the PL terminal and the BL terminal.

例えば図4(a)のように、PL用端子に電圧Vw、BL用端子に電圧0Vを印加すると、抵抗変化素子Rcの抵抗値が下がり、メモリセル101は低抵抗のON状態となる。図4(b)のように、PL用端子に電圧0V、BL用端子に電圧Vwを印加すると、抵抗変化素子Rcの抵抗値が上がり、メモリセル101は高抵抗のOFF状態となる。メモリセル101からこの抵抗値を読み出すには、図4(c)のように、BL用端子に電圧0V、PL用端子には電圧Vwよりも小さいΔVwの電圧を印加する。このΔVwは抵抗変化素子Rcの抵抗値が変化しない程度に小さい値とする。この時に抵抗変化素子Rcに流れる電流を測定(センシング)することで、ONまたはOFFの状態を読み出すことが出来る。   For example, as shown in FIG. 4A, when the voltage Vw is applied to the PL terminal and the voltage 0V is applied to the BL terminal, the resistance value of the resistance change element Rc decreases, and the memory cell 101 enters the low resistance ON state. As shown in FIG. 4B, when a voltage of 0 V is applied to the PL terminal and a voltage Vw is applied to the BL terminal, the resistance value of the resistance change element Rc increases, and the memory cell 101 enters a high resistance OFF state. In order to read the resistance value from the memory cell 101, as shown in FIG. 4C, a voltage of 0V is applied to the BL terminal and a voltage of ΔVw smaller than the voltage Vw is applied to the PL terminal. This ΔVw is set to a small value such that the resistance value of the resistance change element Rc does not change. At this time, the state of ON or OFF can be read by measuring (sensing) the current flowing through the resistance change element Rc.

図5は、この抵抗変化素子を組み込んだReRAMのメモリセルアレイ100の一例である。メモリセルアレイ100は、横方向にワード線WLとプレート線PL、縦方向にビット線BLが配置されており、これらの電圧の組み合わせで1つのメモリセルを選択する。図5は、メモリセルから抵抗値を読み出す時の印加電圧を示している。図5のように各配線にHまたはLまたはL+ΔLの電圧を印加することで、点線で囲んだメモリセル101aが選択される。   FIG. 5 shows an example of a ReRAM memory cell array 100 incorporating the variable resistance element. In the memory cell array 100, word lines WL and plate lines PL are arranged in the horizontal direction, and bit lines BL are arranged in the vertical direction, and one memory cell is selected by a combination of these voltages. FIG. 5 shows the applied voltage when reading the resistance value from the memory cell. As shown in FIG. 5, the memory cell 101a surrounded by the dotted line is selected by applying a voltage of H, L, or L + ΔL to each wiring.

ここで、図6のように、選択メモリセル101aのプレート線PLにセンスアンプ102を接続することで、メモリセルの抵抗値を読み出すことが出来る。図6では、センスアンプ102の入力部には定電圧源121を備えており、プレート線PLの電圧はメモリセル101の抵抗に関わらず一定電圧となる。この時、メモリセル101の抵抗値に対応してセル電流Icellが流れる。このIcellは定電圧源121をそのまま通って、電流−電圧変換器122に入り、電流−電圧変換器122から電流値Icellに対応する電圧VAMPが出力される。この電圧VAMPがアナログ比較器103に入力される。   Here, as shown in FIG. 6, the resistance value of the memory cell can be read by connecting the sense amplifier 102 to the plate line PL of the selected memory cell 101a. In FIG. 6, a constant voltage source 121 is provided at the input portion of the sense amplifier 102, and the voltage of the plate line PL becomes a constant voltage regardless of the resistance of the memory cell 101. At this time, a cell current Icell flows corresponding to the resistance value of the memory cell 101. This Icell passes through the constant voltage source 121 as it is, enters the current-voltage converter 122, and the current-voltage converter 122 outputs a voltage VAMP corresponding to the current value Icell. This voltage VAMP is input to the analog comparator 103.

<実施の形態1の読み出し回路の動作>
図7は、本実施の形態に係るメモリセル101に記憶されている抵抗値の発生確率の分布と基準電圧(比較器の基準電圧)の対応の例である。VREF1〜VREFmは抵抗値に対応する基準電圧である。以降ではVREFx<VREFy(x<y)とする。2値記憶のメモリセル101では、抵抗値の分布が低抵抗のON抵抗(ON状態の抵抗値)の分布と高抵抗のOFF抵抗(OFF状態の抵抗値)の分布となり、2つの分布にそれぞれピーク(中央)が存在する。図7では両者の分布はガウス分布を仮定し、しきい値の発生確率よりも高い領域をそれぞれON判定領域とOFF判定領域とする。本実施の形態では、以下に説明するように、ON判定領域とOFF判定領域の間の発生確率の低い領域にしきい値抵抗RTHを設定することで、メモリセル101のON状態とOFF状態を低いエラー確率で識別することが出来る。
<Operation of Read Circuit of First Embodiment>
FIG. 7 is an example of the correspondence between the distribution of the probability of occurrence of the resistance value stored in the memory cell 101 according to this embodiment and the reference voltage (reference voltage of the comparator). VREF1 to VREFm are reference voltages corresponding to resistance values. Hereinafter, VREFx <VREFy (x <y). In the binary storage memory cell 101, the resistance distribution is a distribution of a low resistance ON resistance (ON resistance value) and a distribution of a high resistance OFF resistance (OFF resistance value). There is a peak (center). In FIG. 7, a Gaussian distribution is assumed for both distributions, and regions that are higher than the threshold generation probability are set as an ON determination region and an OFF determination region, respectively. In the present embodiment, as described below, the threshold resistance R TH is set in a region where the probability of occurrence between the ON determination region and the OFF determination region is low, so that the ON state and the OFF state of the memory cell 101 are changed. Can be identified with low error probability.

図8のフローチャートは、本実施の形態に係る読み出し回路200の動作を示している。図8に示すように、まず、読み出し回路200は、メモリセルアレイ100からデータを読み出す(S101)。上述したようにセンスアンプ102からメモリセル101の抵抗値に対応した電圧が出力され、アナログ比較器103からバッファ201を介してn個のmビット比較結果が中央値検出回路202に入力される。   The flowchart in FIG. 8 shows the operation of the read circuit 200 according to this embodiment. As shown in FIG. 8, first, the read circuit 200 reads data from the memory cell array 100 (S101). As described above, a voltage corresponding to the resistance value of the memory cell 101 is output from the sense amplifier 102, and n m-bit comparison results are input from the analog comparator 103 to the median value detection circuit 202 via the buffer 201.

続いて、読み出し回路200は、読み出したデータから低抵抗、高抵抗それぞれの抵抗分布を求める(S102)。中央値検出回路202は、バッファ201を介して入力された比較結果を図7のようにON判定領域に属するもの、OFF判定領域に属するものとどちらにも属さないものに分ける。そして、中央値検出回路202は、ONとOFF判定領域に属するものそれぞれの集合に対して中央値を求める。ここでは中央値を求めているが、その代わりに平均値(もしくはその他の中間値)を求めても良い。ここで求まった中央値は図7の分布においてON抵抗の分布とOFF抵抗の分布それぞれのピークの抵抗値を示すとみなすことが出来る。ここでガウス分布のような抵抗分布を仮定することで、ピーク(中央)の抵抗値から各分布の形状が分かる。例えば、温度・電圧・プロセス・ノイズなどの変動でON状態とOFF状態の分布が変化しても、実際のメモリセルを読み出して分布を求めることで、これらの変動要因を加味した分布を求めることが出来る。   Subsequently, the read circuit 200 obtains resistance distributions of the low resistance and the high resistance from the read data (S102). The median value detection circuit 202 divides the comparison results input via the buffer 201 into those belonging to the ON determination region, those belonging to the OFF determination region, and those not belonging to either as shown in FIG. Then, the median value detection circuit 202 obtains the median value for each set belonging to the ON and OFF determination areas. Although the median value is obtained here, an average value (or other intermediate value) may be obtained instead. The median value obtained here can be regarded as indicating the resistance values of the respective peaks of the ON resistance distribution and the OFF resistance distribution in the distribution of FIG. Here, assuming a resistance distribution such as a Gaussian distribution, the shape of each distribution can be determined from the resistance value at the peak (center). For example, even if the distribution of the ON state and OFF state changes due to fluctuations in temperature, voltage, process, noise, etc., the distribution taking into account these fluctuation factors can be obtained by reading the actual memory cells and obtaining the distribution. I can do it.

続いて、読み出し回路200は、求めた抵抗分布からしきい値を決定する(S103)。エラー確率を最小とできるのは図7において、ON状態とOFF状態の分布の裾の交差する抵抗値RTHである。そこで、ON状態とOFF状態の分布の中央値または平均値(もしくは中間値)から裾の交差する抵抗値を求めることで、エラー確率を最小とできるしきい値抵抗が分かる。しきい値決定回路203は、ON状態とOFF状態の中央値または平均値からしきい値抵抗RTHを決定する。しきい値を決定するには、例えば、ON状態とOFF状態の中央値または平均値(もしくは中間値)としきい値の抵抗値の対応を予めテーブルとして記憶しておくことで容易に実現できる。次に、その抵抗に最も近いしきい値電圧Vrefcを選択し、しきい値決定回路203の出力とする。一度しきい値が決定すると、この値はしきい値記憶回路204に記憶される。 Subsequently, the readout circuit 200 determines a threshold value from the obtained resistance distribution (S103). In FIG. 7, the resistance value R TH at which the tails of the ON state and OFF state distributions intersect can be minimized. Therefore, the threshold resistance that can minimize the error probability can be found by obtaining the resistance value at which the tails intersect from the median value or average value (or intermediate value) of the ON state and OFF state distributions. The threshold value determination circuit 203 determines the threshold resistance RTH from the median value or average value of the ON state and the OFF state. Determination of the threshold value can be easily realized, for example, by previously storing a correspondence between the median value or average value (or intermediate value) of the ON state and the OFF state and the resistance value of the threshold value as a table. Next, the threshold voltage Vrefc closest to the resistance is selected and used as the output of the threshold value determination circuit 203. Once the threshold value is determined, this value is stored in the threshold value storage circuit 204.

続いて、読み出し回路200は、決定した新たなしきい値を用いてデータを読み出し(S104)、データを復号する(S105)。データ選択回路205は、バッファ201を介して取得したn個のmビットデータそれぞれの中から、しきい値電圧Vrefcに相当する入力値1ビットを選択し出力する(しきい値を超えているかどうか判定する)。データ選択回路205の出力はnビットとなる。そして、デコーダ206は、nビットのデータをエラー訂正方式に従ってデコードしてkビットのデータを復元する。   Subsequently, the read circuit 200 reads data using the determined new threshold value (S104), and decodes the data (S105). The data selection circuit 205 selects and outputs 1-bit input value corresponding to the threshold voltage Vrefc from each of the n m-bit data acquired via the buffer 201 (whether or not the threshold is exceeded). judge). The output of the data selection circuit 205 is n bits. Then, the decoder 206 decodes the n-bit data according to the error correction method to restore the k-bit data.

<実施の形態1の効果>
上記特許文献1では、チップの温度変化には対応できるものの、プロセスばらつきや電圧ばらつきには対応できないという問題があった。また、上記特許文献2では、メインとは別のリファレンス用のインデックスセルを読み出し、読み出したデータのフェイルビットの数に応じて読み出し電圧レベル(しきい値)を設定し、設定した電圧レベルによりメインのメモリセルのデータを読み出している。特許文献2では、メインのメモリセルとは別にリファレンス用のメモリセルが必要なためチップ面積が増大するという問題があり、また、メインとリファレンス用のメモリセルの間の特性ばらつきがあると、適切なしきい値を設定できないという問題がある。
<Effect of Embodiment 1>
In the above-mentioned Patent Document 1, there is a problem that although it can cope with the temperature change of the chip, it cannot cope with process variations and voltage variations. In Patent Document 2, a reference index cell different from the main is read, a read voltage level (threshold) is set according to the number of fail bits of the read data, and the main voltage is set according to the set voltage level. The data of the memory cell is read out. In Patent Document 2, there is a problem that the chip area is increased because a reference memory cell is required in addition to the main memory cell, and if there is a characteristic variation between the main memory cell and the reference memory cell, There is a problem that a simple threshold cannot be set.

本実施の形態では、上記のように不揮発メモリに記憶されているデータそのものからON/OFF状態を判定するしきい値を決定する。このため温度・電圧・プロセス・ノイズなどの変動要因の影響を排除することが出来る。したがって、ONとOFFの値の違い、つまり読み出しマージンが小さい場合でも正確にデータを読み出すことが出来るので、エラー率を低減できる。また、実際にデータを記憶するメモリセルを使用してしきい値を設定するため、リファレンス用メモリセルが不要となることから、チップ面積の増大を抑え、特性ばらつきの影響も低減することができる。   In the present embodiment, the threshold value for determining the ON / OFF state is determined from the data itself stored in the nonvolatile memory as described above. For this reason, the influence of fluctuation factors such as temperature, voltage, process and noise can be eliminated. Accordingly, even when the difference between the ON and OFF values, that is, when the read margin is small, the data can be read accurately, and the error rate can be reduced. In addition, since the threshold value is set by using a memory cell that actually stores data, a reference memory cell is not required, so that an increase in chip area can be suppressed and the influence of characteristic variation can be reduced. .

(実施の形態1の変形例1)
図9は、実施の形態1の変形例1に係るメモリセル101の抵抗値の分布の例である。抵抗変化素子に記憶する抵抗値を、実施の形態1の図7のようなONとOFFの2値ではなく、変形例1の図9のように多値とすることも出来る。
(Modification 1 of Embodiment 1)
FIG. 9 is an example of a distribution of resistance values of the memory cell 101 according to the first modification of the first embodiment. The resistance value stored in the variable resistance element can be multivalued as shown in FIG. 9 of Modification 1 instead of the binary value of ON and OFF as shown in FIG. 7 of the first embodiment.

図9は、メモリセル101が0,1,2,3の4値の状態を記憶する例である。この場合もセンスアンプ102の出力をm個(m>2)のアナログ比較器103を用いてm個の基準電圧VREF1〜VREFmと比較することで、mビットの多値の比較結果として読み出す。そして、0判定領域〜3判定領域のそれぞれに属する基準電圧毎に比較結果を集計して中央値または平均値を求め、その結果より、3つのしきい値抵抗RTH01、RTH12、RTH23を決定する。 FIG. 9 shows an example in which the memory cell 101 stores four-value states of 0, 1, 2, and 3. Also in this case, the output of the sense amplifier 102 is compared with m reference voltages VREF <b> 1 to VREFm using m (m> 2) analog comparators 103, and is read as an m-bit multi-value comparison result. The 0 determination area to 3 determination aggregates comparison result for each reference voltage belonging to the respective areas calculated median or mean value, from the result, the three thresholds resistor R TH01, R TH12, R TH23 decide.

(実施の形態1の変形例2)
実施の形態1では、nビットの読み出しデータの中には必ずON状態のものとOFF状態のものが少なくとも1つは含まれているものと想定していた。しかし、入力データが複数の2値データで構成されるとした場合に、この条件を必ず満たすとは限らない。そこで、変形例2では、入力データに対して一意に決まる符号を規定し、この符号には必ず0と1のデータが少なくとも1つは含まれているようにする。
(Modification 2 of Embodiment 1)
In the first embodiment, it is assumed that n-bit read data always includes at least one of the ON state and the OFF state. However, when the input data is composed of a plurality of binary data, this condition is not always satisfied. Therefore, in the second modification, a code uniquely determined for the input data is defined, and the code always includes at least one of 0 and 1 data.

この条件を満たすような符号の例を図10に示す。図10は(7,4ビット)ハミング符号を用いた例である。図10で16種の元データは4ビットで0000〜1111までの値を取る。元データには0のみまたは1のみで構成されるものがある。この符号に対して、冗長ビット3ビットを付加したものがハミング符号である。ここでは通常の冗長ビットではなく、冗長ビットをビット反転させたデータを付加している。このように生成させた符号は0と1のデータが少なくとも1つは含まれている。さらに、ハミング符号なので、1ビットのエラー訂正能力を持つので、信頼性を向上させることが出来る。   An example of a code that satisfies this condition is shown in FIG. FIG. 10 shows an example using a (7, 4 bit) Hamming code. In FIG. 10, 16 types of original data take values from 0000 to 1111 in 4 bits. Some of the original data is composed of only 0 or 1 only. A hamming code is obtained by adding 3 redundant bits to this code. Here, not normal redundant bits but data obtained by bit-reversing redundant bits are added. The generated code includes at least one of 0 and 1 data. Furthermore, since it is a Hamming code, it has a 1-bit error correction capability, so that reliability can be improved.

図10では4ビットに対して3ビットを追加していたが、符号には必ず0と1のデータが少なくとも1つは含まれているようにするためには、図11のように、4ビットに対して1ビットを追加すること(4−5ビット変換)でも可能である。ここでは、元の4ビットに対して、1〜3ビットのみで奇数パリティを計算し、それを5ビット目に追加している。ただし、この符号では、パリテイチェックのみが可能で、ハミング符号のようなエラー訂正能力を持たない。   In FIG. 10, 3 bits are added to 4 bits. However, in order to ensure that the code includes at least one data of 0 and 1, as shown in FIG. It is also possible to add 1 bit to (4-5 bit conversion). Here, with respect to the original 4 bits, odd parity is calculated with only 1 to 3 bits and added to the 5th bit. However, with this code, only parity check is possible, and it does not have error correction capability like a Hamming code.

変形例2では、例えば、不揮発メモリの書き込み回路にエンコーダ(不図示)を備え、エンコーダにおいて図10や図11の符号に符号化し、符号化したデータをメモリセルアレイに書き込む。また、読み出し回路200のデコーダ206は、図10や図11の符号を元データに復号する。   In the second modification, for example, an encoder (not shown) is provided in the writing circuit of the nonvolatile memory, and the encoder encodes the codes shown in FIGS. 10 and 11 and writes the encoded data into the memory cell array. Further, the decoder 206 of the reading circuit 200 decodes the codes in FIGS. 10 and 11 into the original data.

(実施の形態1の変形例3)
図12は、実施の形態1の変形例3に係る中央値検出回路の構成例である。中央値検出回路202の入力は、メモリセルアレイ100のn個の各ビット毎にm個のアナログ比較器103の出力で、合計n×mビットとなる。ここで、rビット目(1≦r≦n)のq番目(1≦q≦m)のアナログ比較器103の出力をCMPq,rとする。図12に示すように、中央値検出回路202は、ONの分布とOFFの分布それぞれの中央値を決定するためのON中央値検出回路202aとOFF中央値検出回路202bを持つ。
(Modification 3 of Embodiment 1)
FIG. 12 is a configuration example of the median value detection circuit according to the third modification of the first embodiment. The input of the median value detection circuit 202 is the output of the m analog comparators 103 for every n bits of the memory cell array 100, and the total is n × m bits. Here, the output of the qth (1 ≦ q ≦ m) analog comparator 103 of the r-th bit (1 ≦ r ≦ n) is CMPq, r. As shown in FIG. 12, the median value detection circuit 202 has an ON median value detection circuit 202a and an OFF median value detection circuit 202b for determining median values of the ON distribution and the OFF distribution.

図12を参照すると、ON中央値検出回路202aは1〜i+1番目のアナログ比較器103の出力CMP1,1〜CMPi+1,nを使用し、OFF中央値検出回路202bはj−1〜m番目のアナログ比較器103の出力CMPj−1,1〜CMPm,nを使用する。それぞれの中央値検出回路202aと202bは、中央値としてMEDON1〜MEDONi+1とMEDOFFj−1〜MEDOFFmを出力する。MEDON1〜MEDONi+1はCMP1,r〜CMPi+1,rに対応し、中央値となる1ビットのみがHでそれ以外はLとなる。MEDOFFj−1〜 MEDOFFmはCMPj−1,r〜CMPm,rに対応し、こちらも中央値となる1ビットのみがHでそれ以外はLとなる。   Referring to FIG. 12, the ON median value detection circuit 202a uses the outputs CMP1,1 to CMPi + 1, n of the 1st to (i + 1) th analog comparators 103, and the OFF median value detection circuit 202b is the j−1 to mth analog. The outputs CMPj−1,1 to CMPm, n of the comparator 103 are used. The median value detection circuits 202a and 202b output MEDON1 to MEDONi + 1 and MEDOFFj-1 to MEDOFFm as median values. MEDON1 to MEDONi + 1 correspond to CMP1, r to CMPi + 1, r, and only one bit serving as the median is H, and the others are L. MEDOFFj-1 to MEDOFFm correspond to CMPj-1, r to CMPm, r, where only one bit which is the median is H, and L otherwise.

図13は、図12のON中央値検出回路202aの詳細な回路図である。図13に示すように、ON中央値検出回路202aは、i+1個のカウンタ221、i個の乗算器222、i個のバイナリ比較器223、i個のNOT回路224、i−1個のAND回路225を備える。カウンタ221は、ビット(メモリセル101)ごとのアナログ比較器203の出力をカウントする。1番〜i+1番のカウンタ221には、それぞれCMP1,r〜CMPi+1,r(1≦r≦n)のnビットの値を入力する。それぞれのカウンタ221は入力信号の中で、Lであるものの数をカウントしてCNT1〜CNTi+1に出力する。ここで出力値は0〜nのいずれかとなるので、CNTiの値は例えばsビットの2進数(n<2s)である。乗算器222は、カウンタ221の出力を2倍にし、バイナリ比較器223は、乗算器222の出力をビットの総数と比較する。すなわち、CNT1〜CNTiの値を乗算器222で2倍にした2CNT1〜2CNTiを、s+1ビットのバイナリ比較器223でCNTi+1と比較して比較結果DCMP1〜iを得る。ここで、CNTiの値を2倍するには、CNTiを1ビットシフトする。このため、2CNT1〜2CNTiはs+1ビットの2進数となる。   FIG. 13 is a detailed circuit diagram of the ON median value detection circuit 202a of FIG. As shown in FIG. 13, the ON median value detection circuit 202a includes i + 1 counters 221, i multipliers 222, i binary comparators 223, i NOT circuits 224, and i-1 AND circuits. 225. The counter 221 counts the output of the analog comparator 203 for each bit (memory cell 101). The n-bit values of CMP1, r to CMPi + 1, r (1 ≦ r ≦ n) are input to the 1st to i + 1th counters 221 respectively. Each counter 221 counts the number of input signals that are L and outputs them to CNT1 to CNTi + 1. Here, since the output value is one of 0 to n, the value of CNTi is, for example, an s-bit binary number (n <2s). Multiplier 222 doubles the output of counter 221 and binary comparator 223 compares the output of multiplier 222 with the total number of bits. That is, 2CNT1 to 2CNTi obtained by doubling the values of CNT1 to CNTi by the multiplier 222 are compared with CNTi + 1 by the binary comparator 223 of s + 1 bits to obtain the comparison results DCMP1 to DCMP1. Here, in order to double the value of CNTi, CNTi is shifted by 1 bit. For this reason, 2CNT1 to 2CNTi are binary numbers of s + 1 bits.

NOT回路224及びAND回路225は、バイナリ比較器223の比較結果に基づき、中央値を出力する。CNTi+1の値はONの分布に含まれるビットの総数であり、CNT1〜CNTiの値は基準電圧VREF1〜VREFiより電圧の低いビットの数であるから、DCMPxがLでDCMPx+1(1≦x≦i)がHとなるxが中央値である。そこで、NOT回路224によりDCMPxの反転値を生成し、AND回路225によりDCMPxの反転値とDCMPx+1のANDを中央値MEDONとして出力する。ここで、MEDON1〜 MEDONi+1のi+1ビットの出力が得られるが、この中でHとなるものは1ビットのみである。本回路は組み合わせ回路のみで構成されており、高速な中央値検出が可能である。   The NOT circuit 224 and the AND circuit 225 output a median value based on the comparison result of the binary comparator 223. Since the value of CNTi + 1 is the total number of bits included in the ON distribution, and the values of CNT1 to CNTi are the number of bits having a voltage lower than the reference voltages VREF1 to VREFi, DCMPx is L and DCMPx + 1 (1 ≦ x ≦ i) X is the median. Therefore, the NOT circuit 224 generates the inverted value of DCMPx, and the AND circuit 225 outputs the inverted value of DCMPx and the AND of DCMPx + 1 as the median value MEDON. Here, although i + 1 bits of MEDON1 to MEDONi + 1 are obtained, only one bit is H. This circuit is composed only of a combinational circuit and can detect a median at high speed.

OFF中央値検出回路202bも同様の方式で構成することができる。OFF中央値検出回路202bでは、図13のCMP1をCMPm、CMP2をCMPm−1・・・と入れ替え、カウンタ221が入力信号の中でHであるものの数をカウントすることで構成できる。このような構成とすることで、簡易かつ高速に中央値を検出することができる。   The OFF median value detection circuit 202b can also be configured in a similar manner. The OFF median value detection circuit 202b can be configured by replacing CMP1 in FIG. 13 with CMPm, CMP2 with CMPm-1,..., And counting the number of input signals that are H in the counter 221. With such a configuration, the median can be detected easily and at high speed.

図13の回路では中央値を検出していたが、図14のような平均値を検出する回路を使用することも出来る。図14の入出力の信号は図13と同じである。図14の回路を図13の代わりに図12の回路に使用することで、図12の回路を平均値検出回路とすることが出来る。   Although the median value is detected in the circuit of FIG. 13, a circuit for detecting an average value as shown in FIG. 14 can also be used. The input / output signals in FIG. 14 are the same as those in FIG. By using the circuit of FIG. 14 for the circuit of FIG. 12 instead of FIG. 13, the circuit of FIG. 12 can be an average value detection circuit.

図14に示すように、ON中央値検出回路(ここでは平均値検出回路)202aは、i+1個のカウンタ231、i個の加算器232、i+1個の乗算器233、加算器234、序慚愧235、i+1個のバイナリ比較器236、i個のNOT回路237、i−1個のAND回路228を備える。図14で1番〜i+1番のカウンタ231には、それぞれCMP1,r〜CMPi+1,r(1≦r≦n)のnビットの値を入力する。それぞれのカウンタ231は入力信号の中で、Lであるものの数をカウントし、それぞれのカウント値の差を加算器232で求めてCNT1〜CNTi+1に出力する。このCNT1〜CNTi+1はそれぞれのしきい値の範囲に入ったビットの数となる。次の乗算器233ではこのビット数にそれぞれしきい値での抵抗値RREF1〜RREFi+1を掛ける。さらに加算器234で全ての掛け算の結果を加算して全体の和SUMが求まる。   As shown in FIG. 14, the ON median value detection circuit (here, the average value detection circuit) 202 a includes i + 1 counters 231, i adders 232, i + 1 multipliers 233, adders 234, and introduction 235. , I + 1 binary comparators 236, i NOT circuits 237, and i−1 AND circuits 228. In FIG. 14, n-bit values of CMP1, r to CMPi + 1, r (1 ≦ r ≦ n) are input to the counters 231 of No. 1 to i + 1, respectively. Each counter 231 counts the number of input signals that are L, obtains the difference between the respective count values by an adder 232, and outputs the difference to CNT1 to CNTi + 1. CNT1 to CNTi + 1 are the number of bits that fall within the respective threshold ranges. The next multiplier 233 multiplies the number of bits by resistance values RREF1 to RREFi + 1 at threshold values. Further, an adder 234 adds all the multiplication results to obtain an overall sum SUM.

このSUMを除算器235でCNT1〜CNTi+1の和であるCNTallで割ると抵抗値の平均RAVEが求まる。バイナリ比較器236により、このRAVEをそれぞれのしきい値での抵抗値RREF1〜RREFi+1と比較し、この結果を図13の中央値と同様にNOT回路237及びAND回路238により演算すると、MEDON1〜MEDONi+1のi+1ビットの出力が得られる。この中でHとなるものは1ビットのみであり、これが抵抗値RAVEより大きい最小のしきい値抵抗、つまり平均値近傍のしきい値抵抗となる。このような構成により、簡易かつ高速に平均値を検出することができる。   When this SUM is divided by a divider 235 by CNTall, which is the sum of CNT1 to CNTi + 1, an average RAVE of resistance values is obtained. When the RAVE is compared with the resistance values RREF1 to RREFi + 1 at the respective threshold values by the binary comparator 236, and the result is calculated by the NOT circuit 237 and the AND circuit 238 in the same manner as the median value in FIG. 13, MEDON1 to MEDONi + 1. I + 1 bit output is obtained. Among these, only one bit becomes H, and this is the minimum threshold resistance larger than the resistance value RAVE, that is, the threshold resistance near the average value. With such a configuration, the average value can be detected simply and at high speed.

(実施の形態2)
以下、図面を参照して実施の形態2について説明する。図15と図16は本実施の形態に係るデータ読み出し動作のタイミングを示している。構成については、実施の形態1と同様である。
(Embodiment 2)
The second embodiment will be described below with reference to the drawings. 15 and 16 show the timing of the data read operation according to the present embodiment. The configuration is the same as in the first embodiment.

動作の一例である図15では、セル読み出し、中央値検出、しきい値決定、データ復号の4つの動作にそれぞれ1クロックの時間が必要と仮定する。すなわち、1クロック目でメモリセル101から読み出したデータをバッファ201に保持し、2クロック目で中央値検出回路202が中央値を検出し、3クロック目でしきい値決定回路203がしきい値を決定し、4クロック目でデコーダ206がデータを復号する。そうすると、読み出し回路200が読み出しコマンドを受け取ってからデータを出力するには4クロックの時間がかかる。   In FIG. 15 which is an example of the operation, it is assumed that one clock time is required for each of the four operations of cell reading, median value detection, threshold value determination, and data decoding. That is, the data read from the memory cell 101 is held in the buffer 201 at the first clock, the median value detection circuit 202 detects the median value at the second clock, and the threshold value determination circuit 203 is the threshold value at the third clock. The decoder 206 decodes the data at the fourth clock. Then, it takes 4 clocks to output data after the read circuit 200 receives the read command.

ただし、これら4つの動作は並列動作するので、パイプラインで高速化が可能である。連続した読み出し動作として、動作の開始を1クロックずらし、2回目、3回目のデータ読み出しを行う。つまり、図15に示すように、1回目の読み出しを1クロック目から開始し、2回目の読み出しを2クロック目から開始し、3回目の読み出しを3クロック目から開始する。これにより、最初のデータは4クロックのウエイトが必要であるが、2個目以降のデータは1クロック毎に取り出すことが出来る。   However, since these four operations operate in parallel, the speed can be increased by the pipeline. As a continuous read operation, the start of the operation is shifted by one clock, and the second and third data read is performed. That is, as shown in FIG. 15, the first reading is started from the first clock, the second reading is started from the second clock, and the third reading is started from the third clock. As a result, the first data needs to wait for 4 clocks, but the second and subsequent data can be extracted every clock.

動作の他の例である図16では、1回目の読み出しは図15と同じく4クロック必要であるが、実施の形態1で説明したように、求まったしきい値をしきい値記憶回路204に保存しておくことで、2回目の読み出しでは1回目の読み出しで用いたしきい値を使用する。このため、2回目の読み出しは読み出し回路200が読み出しコマンドを受け取ってからセル読み出し、データ復号の2つの動作でデータが出力されるので、2クロックの時間で読み出すことが出来る。   In FIG. 16, which is another example of the operation, the first read requires 4 clocks as in FIG. 15. However, as described in Embodiment 1, the obtained threshold value is stored in the threshold value storage circuit 204. By storing, the threshold value used in the first reading is used in the second reading. For this reason, in the second read, data is output by two operations of cell read and data decode after the read circuit 200 receives a read command, so that it can be read in a time of two clocks.

3回目以降も同様に2クロックで読み出せるので、連続したデータ読み出しを行わない場合でも読み出しを高速化できる。また、2回目の読み出しではデータ出力後に、読み出しデータを用いたしきい値の再計算を行って、しきい値記憶に蓄えて以降の読み出しに使用する。例えば、2回目の読み出しで、4クロック目及び5クロック目でセル読み出しデータ復号を行いつつ、5クロック目及び6クロック目で中央値検出及びしきい値決定を行う。   Similarly, the data can be read out with two clocks after the third time, so that the reading speed can be increased even when continuous data reading is not performed. In the second reading, after the data is output, the threshold value using the read data is recalculated, stored in the threshold value memory, and used for the subsequent reading. For example, in the second reading, the median value is detected and the threshold value is determined at the fifth and sixth clocks while cell read data decoding is performed at the fourth and fifth clocks.

(実施の形態3)
以下、図面を参照して実施の形態3について説明する。図17は本実施の形態に係る不揮発メモリの構成例を示している。
(Embodiment 3)
The third embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 17 shows a configuration example of the nonvolatile memory according to this embodiment.

図17に示すように、本実施の形態に係る不揮発メモリ1は、メモリセルアレイ100と読み出し回路200に加えてトレーニング回路300を備えている。実施の形態1では各ビット毎にm個のアナログ比較器103を用いるために、図3においてチップ全体ではn×m個のアナログ比較器が必要である。これに対して、本実施の形態では各ビット毎にはアナログ比較器103は1つのみとする。その代わりにnビットに対して1個のトレーニング回路300を持つ。   As shown in FIG. 17, the nonvolatile memory 1 according to the present embodiment includes a training circuit 300 in addition to the memory cell array 100 and the read circuit 200. In the first embodiment, since m analog comparators 103 are used for each bit, n × m analog comparators are required for the entire chip in FIG. In contrast, in the present embodiment, only one analog comparator 103 is provided for each bit. Instead, it has one training circuit 300 for n bits.

電源ONの直後などに、読み出し動作を開始する前にトレーニング回路300を動作させてしきい値を決定し、このしきい値を用いて読み出し動作を行う。図17に示すように、トレーニング回路300は、m個のアナログ比較器103、比較値ラッチ207、中央値検出回路202、しきい値決定回路203、しきい値記憶回路204、スイッチSW1及びSW2を備える。また、本実施の形態では、メモリセルアレイ100では、ビットごとにメモリセル101、センスアンプ102、アナログ比較器103を備え、読み出し回路200は、バッファ201、デコーダ206を備える。   Immediately after the power is turned on, the threshold value is determined by operating the training circuit 300 before starting the read operation, and the read operation is performed using this threshold value. As shown in FIG. 17, the training circuit 300 includes m analog comparators 103, a comparison value latch 207, a median value detection circuit 202, a threshold value determination circuit 203, a threshold value storage circuit 204, and switches SW1 and SW2. Prepare. In this embodiment, the memory cell array 100 includes a memory cell 101, a sense amplifier 102, and an analog comparator 103 for each bit, and the read circuit 200 includes a buffer 201 and a decoder 206.

図17の動作について説明する。トレーニング動作では通常の読み出し動作と同様にメモリセル101を動作させる。この時、切り替えスイッチSW1でn個のセンスアンプ102の出力VAMP1〜VAMPnのうち1つがトレーニング回路300につながるようにする。そして、この出力をm個の基準電圧VREF1〜VREFmと比較してmビットの比較結果を比較値ラッチ207に保存する。切り替えスイッチSW1を切り替えていくことにより、比較値ラッチ207にnビット分の比較結果n×mビットが保存される。このデータを用いて実施の形態1と同様に中央値検出回路202としきい値決定回路203でしきい値を決定し、しきい値記憶回路204に保存する。   The operation of FIG. 17 will be described. In the training operation, the memory cell 101 is operated in the same manner as a normal read operation. At this time, one of the outputs VAMP1 to VAMPn of the n sense amplifiers 102 is connected to the training circuit 300 by the changeover switch SW1. Then, the output is compared with m reference voltages VREF1 to VREFm, and the comparison result of m bits is stored in the comparison value latch 207. By switching the changeover switch SW1, the comparison value latch 207 stores n bits of the comparison result n × m bits. Using this data, the threshold value is determined by the median value detection circuit 202 and the threshold value determination circuit 203 as in the first embodiment, and is stored in the threshold value storage circuit 204.

読み出し動作ではしきい値記憶回路204の値に従って切り替えスイッチSW2により、基準電圧VREF1〜VREFmの内の1つをVREFAllに接続する。この状態で、メモリセル101からデータを読み出す。そして、メモリセルアレイ100内のアナログ比較器103がn個のセンスアンプ102の出力VAMP1〜VAMPnをVREFAllと比較することで、nビットの比較結果が得られる。このデータを、バッファ201を経由して転送し、デコーダ206でエラー訂正方式に従ってデコードしてkビットのデータを復元する。   In the read operation, one of the reference voltages VREF1 to VREFm is connected to VREFAll by the changeover switch SW2 according to the value of the threshold value storage circuit 204. In this state, data is read from the memory cell 101. Then, the analog comparator 103 in the memory cell array 100 compares the outputs VAMP1 to VAMPn of the n sense amplifiers 102 with VREFAll, whereby an n-bit comparison result is obtained. This data is transferred via the buffer 201, and decoded by the decoder 206 according to the error correction method to restore k-bit data.

本実施の形態ではアナログ比較器の個数が実施の形態1に比べて少なくできるので、チップ面積を縮小できる。また、あらかじめしきい値を求めておくことで、実施の形態2と同様にデータの読み出しを高速化できる。ここで、トレーニング動作を行うタイミングを電源ONの直後としたが、それ以降も適宜トレーニング動作を行うことができる。例えば特許文献2では、リファレンスを用いたトレーニング動作中は通常の読み出しは出来ないが、図17でトレーニング回路とメモリセルとは並列に動作できるので、通常の読み出し動作をしながら並行してトレーニング動作を行うことができる。   In this embodiment, since the number of analog comparators can be reduced as compared with the first embodiment, the chip area can be reduced. Further, by obtaining the threshold value in advance, it is possible to speed up data reading as in the second embodiment. Here, although the timing for performing the training operation is set immediately after the power is turned on, the training operation can be appropriately performed thereafter. For example, in Patent Document 2, normal reading cannot be performed during the training operation using the reference, but the training circuit and the memory cell can operate in parallel in FIG. It can be performed.

また、タイマーを用いて、1秒毎、1分毎などのあらかじめ決められた一定時間ごとにトレーニング動作を行うこともできる。さらに、チップ上に温度計を搭載し、チップ温度が5℃、10℃といった一定値以上変化した時にトレーニング動作を行うこともできる。これにより、適切なしきい値を設定することができる。   In addition, a training operation can be performed at predetermined time intervals such as every second or every minute using a timer. Furthermore, a thermometer can be mounted on the chip, and the training operation can be performed when the chip temperature changes by a certain value such as 5 ° C. or 10 ° C. Thereby, an appropriate threshold value can be set.

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
(付記1)
A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.
(Appendix 1)

HまたはLの状態の記憶された複数のメモリセルから状態を読み出し、前記読み出し状態のうち、ほぼHの状態に近いものとほぼLの状態に近いものそれぞれの平均値または中心値を求め、前記平均値または中心値よりHとLの状態を識別するしきい値を決定して、前記メモリセルから読み出した状態をHまたはLに識別することを特徴とする不揮発メモリ。
(付記2)
A state is read from a plurality of memory cells stored in an H or L state, and an average value or a center value of each of the read states that are substantially close to the H state and substantially close to the L state is obtained, A non-volatile memory, wherein a threshold value for identifying a state of H and L is determined from an average value or a center value, and a state read from the memory cell is identified as H or L.
(Appendix 2)

付記1記載の不揮発メモリにおいて、入力データをメモリセルに書き込むデータに符号化し、前記符号はHの状態とLの状態を少なくとも1つ含むことを特徴とする不揮発メモリ。
(付記3)
The nonvolatile memory according to appendix 1, wherein input data is encoded into data to be written in a memory cell, and the code includes at least one of an H state and an L state.
(Appendix 3)

付記2記載の不揮発メモリにおいて、状態の読み出しために、しきい値がお互いに異なる複数の比較器を持ち、前記比較器を同時に動作させて複数のしきい値に対する比較結果を得ることを特徴とする不揮発メモリ。
(付記4)
The non-volatile memory according to appendix 2, wherein a plurality of comparators having different threshold values are read in order to read the state, and the comparators are operated simultaneously to obtain a comparison result for the plurality of threshold values. Non-volatile memory.
(Appendix 4)

付記3記載の不揮発メモリにおいて、前記メモリセルから読み出される状態は抵抗値であることを特徴とする不揮発メモリ。
(付記5)
The nonvolatile memory according to claim 3, wherein the state read from the memory cell is a resistance value.
(Appendix 5)

付記3記載の不揮発メモリにおいて、前記HとLの状態を識別するしきい値を保存するメモリを持ち、前記しきい値が保存されている場合はしきい値を決定する動作を行わずに前記保存されているしきい値を使用することを特徴とする不揮発メモリ。
(付記6)
The nonvolatile memory according to attachment 3, further comprising a memory for storing a threshold value for identifying the H and L states, and when the threshold value is stored, the operation for determining the threshold value is not performed. A non-volatile memory using a stored threshold value.
(Appendix 6)

付記3記載の不揮発メモリにおいて、前記しきい値がお互いに異なる複数の比較器は、前記状態を読み出す複数のメモリセルの数に関わらず1組のみで、前記1組の比較器と複数のメモリセルのいずれか1つを接続するスイッチを持ち、読み出し動作のたびに前記スイッチを切り替えて、前記状態を読み出す複数のメモリセル全てに対して比較動作を行い、HとLの状態を識別するしきい値を決定することを特徴とする不揮発メモリ。
(付記7)
The nonvolatile memory according to appendix 3, wherein the plurality of comparators having different threshold values are only one set regardless of the number of the plurality of memory cells from which the state is read, and the one set of comparators and the plurality of memories A switch for connecting any one of the cells is provided, and the switch is switched every time a read operation is performed, and a comparison operation is performed on all of the plurality of memory cells that read the state, and the H and L states are identified. A nonvolatile memory characterized by determining a threshold value.
(Appendix 7)

付記6において、しきい値を決定する動作は電源投入直後または、一定時間ごと、または、外部環境の変化を検知することによって行うことを特徴とする不揮発メモリ。   The nonvolatile memory according to claim 6, wherein the operation for determining the threshold value is performed immediately after the power is turned on, at regular intervals, or by detecting a change in the external environment.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments already described, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It goes without saying that it is possible.

1 不揮発メモリ
10 半導体装置
11 メモリセル
12 第1中間値決定回路
13 第2中間値決定回路
14 しきい値決定回路
15 識別回路
100 メモリセルアレイ
101 メモリセル
102 センスアンプ
103 アナログ比較器
121 定電圧源
122 電流−電圧変換器
200 読み出し回路
201 バッファ
202 中央値検出回路
202a ON中央値検出回路
202b OFF中央値検出回路
203 しきい値決定回路
204 しきい値記憶回路
205 データ選択回路
206 デコーダ
207 比較値ラッチ
221 カウンタ
222 乗算器
223 バイナリ比較器
224 NOT回路
225 AND回路
231 カウンタ
232 加算器
233 乗算器
234 加算器
235 除算器
236 バイナリ比較器
237 NOT回路
238 AND回路
300 トレーニング回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nonvolatile memory 10 Semiconductor device 11 Memory cell 12 1st intermediate value determination circuit 13 2nd intermediate value determination circuit 14 Threshold value determination circuit 15 Identification circuit 100 Memory cell array 101 Memory cell 102 Sense amplifier 103 Analog comparator 121 Constant voltage source 122 Current-voltage converter 200 Read circuit 201 Buffer 202 Median value detection circuit 202a ON median value detection circuit 202b OFF median value detection circuit 203 Threshold decision circuit 204 Threshold storage circuit 205 Data selection circuit 206 Decoder 207 Comparison value latch 221 Counter 222 Multiplier 223 Binary comparator 224 NOT circuit 225 AND circuit 231 Counter 232 Adder 233 Multiplier 234 Adder 235 Divider 236 Binary comparator 237 NOT circuit 238 AND circuit 300 Training circuit

Claims (14)

第1記憶状態に応じた第1データを出力するメモリセルと第2記憶状態に応じた第2データを出力するメモリセルを含む複数のメモリセルと、
前記複数の第1データの中間値を決定する第1中間値決定回路と、
前記複数の第2データの中間値を決定する第2中間値決定回路と、
前記第1及び第2中間値決定回路のそれぞれの決定結果に基づき、前記第1及び第2記憶状態を識別するしきい値を決定するしきい値決定回路と、
前記しきい値決定回路の決定結果と前記複数のメモリセルからの読み出し結果に基づき、前記複数のメモリセルの記憶状態を識別する識別回路と、
を備える半導体装置。
A plurality of memory cells including a memory cell that outputs first data according to a first storage state and a memory cell that outputs second data according to a second storage state;
A first intermediate value determining circuit for determining an intermediate value of the plurality of first data;
A second intermediate value determining circuit for determining an intermediate value of the plurality of second data;
A threshold value determination circuit for determining a threshold value for identifying the first and second storage states based on respective determination results of the first and second intermediate value determination circuits;
An identification circuit for identifying a storage state of the plurality of memory cells based on a determination result of the threshold determination circuit and a read result from the plurality of memory cells;
A semiconductor device comprising:
前記中間値は、前記複数の第1または第2データの分布の中心値である、
請求項1に記載の半導体装置。
The intermediate value is a central value of the distribution of the plurality of first or second data.
The semiconductor device according to claim 1.
前記しきい値は、前記第1データの分布の裾と前記第2データの分布の裾が重なる部分の値である、
請求項2に記載の半導体装置。
The threshold value is a value of a portion where the tail of the distribution of the first data and the tail of the distribution of the second data overlap.
The semiconductor device according to claim 2.
前記中間値は、前記複数の第1または第2データの平均値である、
請求項1に記載の半導体装置。
The intermediate value is an average value of the plurality of first or second data.
The semiconductor device according to claim 1.
前記複数のメモリセルは、前記第1記憶状態のメモリセルと前記第2記憶状態のメモリセルを含むように符号化されたデータが書き込まれている、
請求項1に記載の半導体装置。
In the plurality of memory cells, data encoded so as to include the memory cells in the first storage state and the memory cells in the second storage state is written.
The semiconductor device according to claim 1.
前記符号化されたデータは、前記第1記憶状態及び前記第2記憶状態に対応するとともに誤り検出または誤り訂正を行う冗長ビットを含む、
請求項5に記載の半導体装置。
The encoded data includes redundant bits corresponding to the first storage state and the second storage state and performing error detection or error correction.
The semiconductor device according to claim 5.
前記メモリセルごとに、前記メモリセルから読み出される信号を複数の基準電圧と比較し、前記第1または第2データを出力する複数のアナログ比較器を備える、
請求項1に記載の半導体装置。
Each of the memory cells includes a plurality of analog comparators that compare a signal read from the memory cell with a plurality of reference voltages and output the first or second data.
The semiconductor device according to claim 1.
前記第1または第2中間値決定回路は、
前記メモリセルごとの複数のアナログ比較器の出力をカウントする複数のカウンタと、
前記カウントした値を2倍にする乗算器と、
前記2倍にした値と前記第1または第2データの総数とを比較するバイナリ比較器と、
前記バイナリ比較器の比較結果に基づき、前記中間値を出力する出力回路と、
を備える、請求項7に記載の半導体装置。
The first or second intermediate value determination circuit includes:
A plurality of counters for counting outputs of a plurality of analog comparators for each of the memory cells;
A multiplier for doubling the counted value;
A binary comparator that compares the doubled value with the total number of the first or second data;
An output circuit that outputs the intermediate value based on a comparison result of the binary comparator;
The semiconductor device according to claim 7, comprising:
前記メモリセルから読み出される信号を複数の基準電圧と比較し、前記第1または第2データを出力する複数のアナログ比較器と、
前記複数のメモリセルと前記複数のアナログ比較器との接続を切り替える切り替えスイッチと、
前記複数のアナログ比較器の出力をラッチするラッチ回路と、
を備える、請求項1に記載の半導体装置。
A plurality of analog comparators for comparing a signal read from the memory cell with a plurality of reference voltages and outputting the first or second data;
A changeover switch for switching connection between the plurality of memory cells and the plurality of analog comparators;
A latch circuit for latching outputs of the plurality of analog comparators;
The semiconductor device according to claim 1, comprising:
前記決定されたしきい値を記憶するしきい値記憶回路を備え、
前記識別回路は、前記記憶されたしきい値に基づいて前記記憶状態を識別する、
請求項1に記載の半導体装置。
A threshold value storage circuit for storing the determined threshold value;
The identification circuit identifies the storage state based on the stored threshold;
The semiconductor device according to claim 1.
前記識別回路は、前回の読み出し動作で記憶されたしきい値に基づいて前記記憶状態を識別する、
請求項10に記載の半導体装置。
The identification circuit identifies the storage state based on a threshold value stored in a previous read operation;
The semiconductor device according to claim 10.
前記しきい値決定回路は、電源投入時、一定期間ごと、または、外部環境が変化した場合に、前記しきい値を決定する、
請求項1に記載の半導体装置。
The threshold value determination circuit determines the threshold value when the power is turned on, at regular intervals, or when the external environment changes;
The semiconductor device according to claim 1.
第1記憶状態に応じた第1データを出力する不揮発メモリセルと第2記憶状態に応じた第2データを出力する不揮発メモリセルを含む複数の不揮発メモリセルと、
前記複数の第1データの中間値を決定する第1中間値決定回路と、
前記複数の第2データの中間値を決定する第2中間値決定回路と、
前記第1及び第2中間値決定回路のそれぞれの決定結果に基づき、前記第1及び第2記憶状態を識別するしきい値を決定するしきい値決定回路と、
前記しきい値決定回路の決定結果と前記複数の不揮発メモリセルからの読み出し結果に基づき、前記複数の不揮発メモリセルの記憶状態を識別する識別回路と、
を有する不揮発メモリ。
A plurality of nonvolatile memory cells including a nonvolatile memory cell that outputs first data according to a first storage state and a nonvolatile memory cell that outputs second data according to a second storage state;
A first intermediate value determining circuit for determining an intermediate value of the plurality of first data;
A second intermediate value determining circuit for determining an intermediate value of the plurality of second data;
A threshold value determination circuit for determining a threshold value for identifying the first and second storage states based on respective determination results of the first and second intermediate value determination circuits;
An identification circuit for identifying a storage state of the plurality of nonvolatile memory cells based on a determination result of the threshold value determination circuit and a read result from the plurality of nonvolatile memory cells;
A non-volatile memory.
前記不揮発メモリセルは、抵抗変化型メモリセルであり、
前記第1及び第2データは抵抗値である、
請求項13に記載の不揮発メモリ。
The nonvolatile memory cell is a resistance change type memory cell,
The first and second data are resistance values.
The non-volatile memory according to claim 13.
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